MODELOVÁNÍ AKČNÍHO POTENCIÁLU SRDEČNÍCH BUNĚK

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV BIOMEDICÍNSKÉHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF BIOMEDICAL ENGINEERING MODELOVÁNÍ AKČNÍHO POTENCIÁLU SRDEČNÍCH BUNĚK MODELING OF ACTION POTENTIALS OF HEART CELLS BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR LADISLAV ZEMÁNEK Ing. MILAN RYCHTÁRIK BRNO, 211

2

3 ABSTRAKT Tato bakalářská práce se zabývá studiem a rešerší modelů akčních potenciálů srdečních buněk. Nabízí popis jednotlivých modelů včetně popisu jejich proudových složek. Vlastní řešení práce pak zahrnuje zrekonstruování vybraných modelů srdeční buňky v programovacím prostředí Matlab a srovnání s odbornou literaturou. KLÍČOVÁ SLOVA Akční potenciál, srdeční buňka, Matlab, model ABSTRACT This bachelor s thesis deals with studies and researches models of action potentials of cardiac cells. It offers a description of the various models including description of their current components. The own solution of this project includes reconstruction of models of cardiac cell in numerical computing environment Matlab and compared with literature. KEYWORDS The action potential, cardiac cell, Matlab, model ZEMÁNEK, L. Modelování akčního potenciálu srdečních buněk. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Milan Rychtárik.

4 Prohlášení Prohlašuji, že svoji bakalářskou práci na téma Modelování akčního potenciálu srdečních buněk jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením tohoto projektu jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 14/1961 Sb. V Brně dne 27. května podpis autora Poděkování Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Milanu Rychtárikovi za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé bakalářské práce. V Brně dne 27. května podpis autora

5 Obsah 1 Úvod Modelování srdečního akčního potenciálu Skladby a vlastnosti biologické membrány Klidové membránové napětí Akční potenciál Modelování srdečního akčního potenciálu Metody měření membránových proudů Historie modelování elektrických jevů na buněčných membránách Hodgkin a Huxley 1952, Kvantitativní popis el. jevů na buněčných membránách Draslíková vodivost a sodíková vodivost Denis Noble 1961, Modifikované Hodkgin-Huxleyho rovnice aplikované na akční potenciál Purkyňova vlákna Draslíkový proud Sodíkový proud Mc Allister, Noble a Tsien 1975, Klasický model srdečního akčního potenciálu Beller Reuter Moderní model srdečního akčního potenciálu Di Francesco Noble Luo a Rudy Luo a Rudy Vlastní řešení modelů Model Mc Allister, Noble, Tsien Model Beeler Reuter

6 4.3 Grandi Pasqualini Bers Vliv extracelulárních iontů na průběh akčního napětí Draslík Sodík Srovnání modelů Mc Allister, Noble, Tsien Beeler, Reuter Shrnutí Grandi Pasqualini Bers Realizace modelu Numerické simulace Realizace uživatelského prostředí GUI Závěr Seznam literatury Seznam příloh... 6 A Přiložené CD... 6

7 Seznam obrázků 2.1 Buněčná membrána, Akční potenciál srdeční buňky. - prudká depolarizace; 1 - rychlá repolarizační fáze; 2 - fáze plató; 3 - rychlejší depolarizace; 4- pomalá diast. depolarizace; PP - prahový potenciál; KP - klidový potenciál; Náhradní elektrické schéma H-H modelu axonu hlavonožce.[8] Schematický diagram popisující tok proudů přes membránu (Mc Allister, Noble a Tsien), Schematický diagram popisující tok proudů přes membránu (Beeler a Reuter), Průběh sodíkového proudu I Na Průběh proudu I si Průběh draslíkového proudu I K Průběh draslíkového proudu I x Průběh proudu I K2 a I x1 - McAllister, Noble, Tsien[15] Průběh draslíkového proudu I x Průběh proudu I Cl Průběh akčního potenciálu McAllister, Noble, Tsien Průběh akčního potenciálu McAllister, Noble, Tsien[15] Vliv velikosti maximální vodivosti na průběhu AP Závislost velikosti maximální vodivosti na průběhu AP[15] Průběh dynamických proměnných s a x Průběh dynamických proměnných s a x 1 [15] Průběh AP při I Na = Průběh AP při I Na =, I x1 = I x2 = [15] Průběh AP při Ix1 = Ix2 = Průběh sodíkového proudu I Na

8 4.18 Průběh draslíkového proudu I K Průběh draslíkového proudu I x Průběh proudu I s Průběh dynamiky koncentrace vápníku Průběh akčního potenciálu Beeler, Reuter Průběh akčního potenciálu Beeler, Reuter[1] Průběh dynamických proměnných f a x Průběh dynamických proměnných f a x1[1] Průběh AP v závislosti na velikosti maximální vodivosti g s Průběh AP v závislosti na velikosti maximální vodivosti g s [1] Vliv změny koncentrace vápníku na průběh AP Vliv změny koncentrace vápníku na průběh AP[1] Vliv změny rovnovážného napětí Es na průběh AP Vliv změny rovnovážného napětí E s na průběh AP[1] Průběh sodíkového proudu I Na Průběh sodíkového proudu I Na [6] Průběh draslíkového proudu I Kr Průběh draslíkového proudu I Kr [6] Průběh draslíkového proudu I Ks Průběh draslíkového proudu I Ks [6] Průběh rychlé a pomalé složky proudu I to Průběh rychlé a pomalé složky proudu I to [6] Průběh draslíkového proudu I K Průběh draslíkového proudu I K1 [6] Průběh sodíkového proudu I Nak Průběh sodíkového proudu I Nak [6]

9 4.44 Průběh proudu I CaL Průběh proudu I CaL [6] Průběh akčního potenciálu Grandi, Pasqualini, Bers Průběh akčního potenciálu Grandi, Pasqualini, Bers[6] Průběh AP při K = 2,5 mmol/l Průběh AP při K = 7 mmol/l Průběh AP při Na = 16 mmol/l Průběh AP při Na = 13 mmol/l Průběh AP při stimulační frekvenci 2 Hz Průběh AP při stimulační frekvenci,5 Hz Průběh AP při stimulační frekvenci 2 Hz Volba příslušného modelu Ukázka uživatelského prostředí

10 1 Úvod V dnešní elektrofyziologii je zejména důležité získávání nových informací a poznatků o jednotlivých srdečních buňkách, soustavách buněk a celém srdci. Elektrické měření vlastností izolovaných srdečních buněk a následná kvantitativní analýza naměřených dat je důležitou složkou pro získání nových dat. Kvantitativní analýza naměřených membránových proudů je také důležitá při zkoumání působení specifických látek s jednotlivými iontovými kanály. Elektrofyziologie srdce je neodmyslitelnou součástí pro průmyslové odvětví zabývající se vývojem léků a při vyvíjení nových léčebných postupů v léčbě kardiovaskulárních chorob. Úvodní část této práce poskytuje historický přehled o vývoji modelování elektrofyziologických dějů na srdečních buňkách. V této části je zmíněn historicky první model elektrických vlastností buněčné membrány i modely, které byli popsány v posledních několika letech. Úkolem této práce je provést rešerši modelů akčního potenciálu srdečních buněk a porovnat jednotlivé modely akčního potenciálu v historickém sledu od nejstarších a k těm nejnovějším. Dalším úkolem je zrekonstruování průběhu akčního potenciálu vybraných modelů McAllister, Noble a Tsien, další model Beeler, Reuter a nakonec model Grandi, který popsali Paqualini a Bers a jeho srovnání s odbornou literaturou. Posledním úkolem je vytvořit přehledné uživatelské GUI, které umožní simulovat průběh akčního potenciálu. 6

11 2 Modelování srdečního akčního potenciálu 2.1 Skladby a vlastnosti biologické membrány Buněčná membrána je převážně tvořena proteiny, lipidy a malou měrou také sacharidy. Projevy života buňky jsou spojeny s funkcemi membrány, zvláště pak s funkcí transportní. Buněčná membrána odděluje buňku od vnějšího a vnitřního prostředí a tím vytváří prostor pro transport látek. Uspořádání složek je následující: dvojitá vrstva fosfolipidů a do ní vnořené proteiny, cholesterol a sacharidové zbytky. Proteiny zajišťují specifické procesy v membráně, jako je například transport iontů a dalších látek. Základní funkcí buněčné membrány jsou propustnost, dynamika membránových molekul, řízený transport látek, zpracování informací a elektrické vlastnosti[19]. Právě komunikace mezi jednotlivými buňkami probíhá pomocí elektrických signálů vyvolané jednotlivými změnami membránového potenciálu[21]. 2.1 Buněčná membrána, Klidové membránové napětí Vnitřní prostředí živé buňky má jiný elektrický potenciál než okolní prostředí buňky. Měřením membránového napětí, které je definováno jako rozdíl potenciálů mezi elektrodou zavedenou do vnitřního prostředí buňky a elektrodou umístěnou v okolním prostředí buňky, se o tomto jevu můžeme přesvědčit[2]. Je-li buňka v klidu, na její membráně se vytváří klidové membránové napětí. U živočišných buněk se rozmezí hodnot pohybuje mezi -9 mv až -5mV[2]. Klidové membránové napětí je dáno na základě nerovnoměrného rozložení 7

12 základních fyziologických iontů na obou stranách membrány[11]. To je dáno rozdílnou propustností buněčné membrány pro odlišné ionty. Živočišná buňka je částečně propustná pro ionty draselné, ne však pro ionty sodné. Membrána totiž obsahuje malé množství kanálů propouštějící draselné ionty. Proto mají ionty draslíku snahu opustit buňku ve svém koncentračním spádu, tím ale vytváří gradient elektrický, který tomuto proudu brání. Jakmile elektrický gradient vyrovná gradient koncentrační, nastává rovnováha mezi proudem iontů do buňky a z buňky. Činností Na + /K + pumpy se v buňce udržuje rovnováha pohybu kladných iontů (3 Na + ionty ven a 2 K + ionty dovnitř buňky)[11]. Propustnost buněčné membrány je ovlivněna řadou faktorů, mezi něž patří: ph, složení intracelulárního roztoku, rozpustnost iontů. Propustnost buněčné membrány je ovlivněna i hormony. Klidové membránové napětí vykazují všechny buňky, ale pouze buňky excitabilní (nervové, srdeční a svalové) umějí reagovat na elektrický podnět změnou propustnosti pro ionty[11]. 2.3 Akční potenciál Vzrušivé buňky jsou schopny reagovat na podráždění vznikem akčního potenciálu (AP). Akční potenciál nervové buňky je typický dvěma fázemi. Fáze, kdy membránový potenciál stoupá ze záporných hodnot ke kladným, se nazývá depolarizace[11]. Depolarizace začíná pasivně, při změně napětí na membráně se otevře malý počet sodíkových kanálů. Následuje proud Na + iontů do buňky, který zvětší napětí, opakováním tohoto jevu vzniká kladná zpětná vazba. Jejím působením se co nejrychleji otevřou téměř všechny sodné kanály[11]. V terminální fázi, repolarizaci, se membrána stává znovu propustnější pro K + ionty a membránový potenciál se začíná vracet na svou klidovou hodnotu[19]. První fáze akčního potenciálu srdečního myokardu je depolarizace. Průběh akčního potenciálu je stejný jako u nervové buňky. Následuje krátká repolarizace. Charakteristická krátkým a rychlým poklesem membránového potenciálu. Je způsobena inaktivací Na + kanálů a krátkodobým otevřením specifických K + kanálů. Poté je zahájena typická fáze myokardu tzv. plateau fáze. Hodnota zůstává pozitivní (po dobu cca 2ms). V této době je kationový proud přes membránu v obou směrech vyrovnaný. Z buňky proudí K + ionty, směrem do buňky proudí Ca 2+ ionty, to je způsobeno otevřením specifických Ca 2+ kanálů. Poslední fází je repolarizace, kdy převažuje proud iontů ven z buňky. To je způsobeno inaktivací Ca 2+ kanálů, což má za následek pokles membránového potenciálu do záporných hodnot[11]. U buněčné 8

13 membrány vznikne akční potenciál v místě nadprahového podráždění, odtud se pak šíří dál[2]. Kladná zpětná vazba způsobí, že depolarizace pokračuje spontánně[12]. Srdeční akční potenciál se však značně oproti neuronovému akčnímu potenciálu liší. Pravděpodobně kvůli větší odlišnosti iontových kanálů přítomných v srdečních myocytech a interacelulárních spojeních. V roce 1977 Beeler a Reuter pomoci vápenatého proudu úspěšně popsali ventrikulární akční potenciál s charakteristickou plateau fází, která je nezbytná pro řádnou srdeční kontrakci. Od této doby přibyly početné modely iontových kanálů a kompartmentů vápníkové dynamiky (Di Francesco a Noble 1985, Luo a rudy 1994), složení současných modelů je značně komplexnější. Přesto mnoho těchto membránových kanálů stále vychází z formulace Hodgkin - Huxleyho rovnic[1]. 2.4 Modelování srdečního akčního potenciálu Původně byl model akčního potenciálu popsán pro neuron. Brzy však byl popsán model akčního potenciálu i pro srdeční buňky. Byly popsány malé rozdíly v kvantitativní popisu Na + a K + kanálů. Iontovými kanály srdečních myocytů protéká proud Ca 2+ iontů. Tomuto proudu iontů odpovídá tzv. fáze plateau, která se shoduje se svalovou kontrakcí ventrikulárních myocytů. Srdce obsahuje mnoho druhů buněk, které vyžadují rozdílné úvahy pro vyvíjení modelů. Pace-makerové buňky v sinoatriálním uzlu umožňují autonomní sled akčních potenciálů. Zatímco Purkyňova vlákna představují účinný systém vedení signálu a následný převod na rychlou a jednotnou excitaci ventrikulárních myocytů[1]. 2.2 Akční potenciál srdeční buňky. - prudká depolarizace; 1 - rychlá repolarizační fáze; 2 - fáze plató; 3 - rychlejší depolarizace; 4- pomalá diast. depolarizace; PP - prahový potenciál; KP - klidový potenciál; 9

14 2.5 Metody měření membránových proudů Pro měření membránových proudů se používají skleněné mikroelektrody, které se vyrábějí z tenkých skleněných trubiček o průměru 1 mm. Jedná se o skleněnou kapiláru naplněnou vhodným roztokem, který je složením blízký vnitřnímu složení buňky. Skleněná trubička se uprostřed nažhaví a tažením od sebe se získáme 2 mikroelektrody, které mají v průměru méně než 1 µm. Používají se 2 typy skleněných mikroelektrod. Průniková elektroda se zavádí do buňky přes buněčnou membránu. Zatímco dotyková buňkou neproniká, jen se jí dotkne. Kontaktu s vnitřním prostředím dochází dotykem mikroelektrody a následným zvyšováním podtlaku, membrána se tak vchlípí do mikroelektrody, dalším zvýšením dojde k porušení membrány, tím pádem získáme přímý kontakt s vnitřním prostředím buňky. Mikroelektroda se do buňky zavádí pod kontrolou mikroskopu[2]. Ke kvantitativnímu popisu elektrických dějů na buněčné membráně se používá metody vnuceného napětí a metody vnuceného proudu. Při metodě vnuceného napětí se na membránu přikládá napětí a měří se odezva membránového proudu, naopak při metodě vnuceného proudu se registruje odezva membránového napětí na vnucený proud. Cílem je rozložit celkový membránový proud na jednotlivé složky a zjistit, jak se tyto složky podílejí na celkovém proudu. Proudy směřující do buňky membránu depolarizují proudy záporné (např. proud sodíkový a vápníkový). Proudy směřující ve z buňky membránu repolarizují proudy kladné (např. draslíkový proud). V odezvě na vnucené napětí můžeme pomocí skleněné dotykové mikroelektrody měřit proud jedním kanálem. Tato metoda je nazývá patch clamp a umožňuje snímat proudy celé buňky, nebo jen proud procházející jedním iontovým kanálem[2]. 3 Historie modelování elektrických jevů na buněčných membránách 3.1 Hodgkin a Huxley 1952, Kvantitativní popis el. jevů na buněčných membránách V roce 1952 završili svoji práci dva angličtí badatelé A. L. Hodgkin a A. F. Huxley, z které vychází téměř všechny modely popisující elektrofyziologické děje na srdečních buňkách. Zabývali se popisem elektrických dějů na membránách vzrušivých (excitabilních) buněk hlavonožce (sépie Loligo). Model byl založen na základě přímého experimentálního měření a následném matematickém vyjádření získaných dat. Jako první matematicky popsali napěťově 1

15 řízené kanály a to jak pro sodné, tak pro draselné ionty. V roce 1963 jim byla udělena Nobelova cena za lékařství a fyziologii[2]. Hodgkin - Huxley model (dále jen H-H ) je založen na myšlence, že elektrické vlastnosti membrány mohou být modelovány náhradním elektrickým obvodem[5]. H-H vytvořili náhradní elektrické schéma biologické membrány. Buněčnou membránu popsali jako kapacitu, jelikož odděluje od sebe dvě vodivá prostředí a pohyb iontů přes kanály vyjádřili jako vodivosti paralelně zapojené s rovnovážným zdrojem napětí[19].v náhradním obvodu má tok proudu přes membránu dvě hlavní složky, kapacitní a iontovou. Iontový proud je dále rozdělen do tří zřetelných komponent. Skládá se ze sodíkového proudu I Na, draslíkového proudu I K a malých unikajících proudů I l, které jsou primárně neseny chloridovými ionty[5]. H-H rovněž spočítali vodivosti těchto kanálů[8]. 3.1 Náhradní elektrické schéma H-H modelu axonu hlavonožce.[8] Draslíková vodivost a sodíková vodivost I K g K =, g U m -U Na = (1) K U m -U na Průběh vodivosti g K přesně neodpovídá prosté exponenciále. Vzrůstá s nepatrným zpožděním v odezvě napěťového skoku. Jako nejlepší řešení se jeví aproximace tohoto průběhu čtvrtou mocninou exponenciální funkce[2]. Průběh vodivosti g Na lze popsat stejným způsobem. Pro tento případ je však nutné zavést dvě veličiny m a h. Veličina m popisuje aktivaci g Na. Zatímco druhá veličina h popisuje pomalý pokles[8]. Nejlepším řešením je 11 I Na

16 aproximovat průběh veličiny m třetí mocninou exponenciální funkce, průběh veličiny h bude aproximován mocninou první[2]. Draslíková vodivost je popsána jako: g K =g K n 4, dn dt =α n 1-n -β n n, (2) kde g je konstanta s rozměry vodivost /cm 2, α n a β n jsou rychlostní konstanty, které se mění s napětím, ale ne s časem; n je bezrozměrná proměnná, která se pohybuje v rozmezí a 1[8]. Průběh vodivosti g Na lze popsat stejným způsobem. Pro tento případ je však nutné zavést dvě veličiny m a h. Veličina m popisuje aktivaci g Na. Zatímco druhá veličina h popisuje pomalý pokles[8]. Nejlepším řešením je aproximovat průběh veličiny m třetí mocninou exponenciální funkce, průběh veličiny h bude aproximován mocninou první[2] g Na =g Na m 3 h, dm dt = 1 τ m m -m, dh dt = 1 τ h h -h. (3) Rovnice, která platí obecně při změnách napětí a poskytuje celkový proud na membráně v závislosti na čase a napětí[8]. du m = 1 I dt C m-g K n 4 (U m -U K )-g Na m 3 h(u m -U K )-g bg (U m -U bg ), (4) kde, g K, g Na, g bg jsou maximální hodnoty vodivostí, U K, U Na, U bg jsou rovnovážná napětí jednotlivých kanálů. Dynamické proměnné popisují veličiny m, h a n. Veličina C representuje kapacitu membrány, U m membránové napětí. I m representuje průběh na odezvu stimulačního impulzu. Údaje získané metodou vnuceného napětí se používají k odvození rovnic, které popisují změny sodné a draselné vodivosti spojených se změnou membránového potenciálu. Rovnice byly použity pro predikci kvantitativního chování modelu neuronu za různých podmínek, které odpovídali experimentům iontových proudů[8]. 12

17 3.2 Denis Noble 1961, Modifikované Hodkgin-Huxleyho rovnice aplikované na akční potenciál Purkyňova vlákna První model srdeční buňky je Nobleho model obecné Purkyňovy buňky. Obsahuje tři primární proudy: Na +, K + a na pozadí předpokládaný proud zprostředkovaný proudem Cl -. Rovnice formulované Hodgkinem a Huxleyem (1952) vedly k popsání elektrické aktivity nervu hlavonožce a byly pozměněny k popsání akčního a pace-makerového srdečního potenciálu Purkyňových buněk. Rovnice draselných proudů se liší od H-H tím, že předpokládají průtok K + iontů přes dva typy kanálů v membráně: jeden v kterém se g K snižuje, když je membrána depolarizovaná a další v kterém g K velmi pomalu stoupá. Rovnice sodíkového proudu jsou velmi podobné rovnicím Hodgkin a Huxleyho a jsou z části založené na Wiemannovu měření vlastností systému srdečního svalu (1955)[8]. Model popisuje předpokládané změny vodivosti a iontových proudů. Změna ve vypočtené membránové impedanci během akčního a pace-makerového potenciálu se shoduje s experimenty pozorovanými na Purkyňových vláknech. Všeobecné chování rovnic odpovídá pozorovanému chování na Purkyňových vláken[16] Draslíkový proud Při matematickém popsání draslíkového proudu, je vhodné předpokládat, že K + ionty přechází přes membránu dvěma kanály. V jednom je draslíková vodivost (g K1 ) jako okamžitá funkce membránového potenciálu a klesá při depolarizaci membrány. Další typ vodivostního kanálu (g K2 ) pomalu stoupá, když je membrána depolarizovaná. Tyto kanály jsou representovány dvěma usměrňovači. Vodivost g K1 je zastoupena usměrňovačem, který jednoduše přenáší proud dovnitř, zatímco g K2 je zastoupená usměrňovačem, který přenáší proud ven[16] Sodíkový proud Změny membránového potenciálu mají na sodnou vodivost dvojí účinek. Když je membrána náhle depolarizovaná dojde z počátku k velkému nárůstu g Na. Avšak v případě, že je depolarizace zachována, g Na brzy klesá znovu na nízkou hodnotu. Kromě toho, rozsah počátečního růstu g Na závisí na předchozí hodnotě membránového potenciálu. H-H popisují toto chování za předpokladu, že g Na je určena dvěma proměnnými. Pomocí metody 13

18 vnuceného napětí Wiechmann (1955) dokázal, že Purkyňova vlákna jsou velmi podobné buňkám nervu hlavonožce[16]. 3.3 Mc Allister, Noble a Tsien 1975, Klasický model srdečního akčního potenciálu V roce 1975 McAllister, Noble a Tsien představili prototyp numerického modelu pro rytmickou pace-makerovou aktivitu srdečních Purkyňových vláken. Pomocí metody vnuceného napětí studovali vliv membránových proudů na průběh akčního potenciálu[1]. McCallister, Noble a Tsien (dále jen MNT) metodou vnuceného napětí popsali proud I X1, zobecňovanou plateau fázi a depolarizační proud. Tento model byl tedy schopný zároveň popsat charakteristiku pace-makerové aktivity a rychlé vedení impulzu Purkyňovými buňkami. Srdeční sval obsahuje mnoho druhů buněk, model MNT však popisuje jen některé. Jejich model popisuje jen některé z nich. V roce 1977 za tímto účelem vyvinuli Beeler a Reuter numerický model (B-R model) pro ventrikulární myocyty. MNT model zahrnuje vnitřní vápníkový proud (který objevil roku 1962 Noble) spolu s proudem sodíku, tři draslíkové proudy, jeden chloridový proud a tři proudy na pozadí zprostředkované ionty K +, Na +, Cl - [1] Schematický diagram popisující tok proudů přes membránu (Mc Allister, Noble a Tsien), 14

19 Pomocí matematického modelu membránového proudu byla rekonstruována elektrická aktivita srdečních Purkyňových vláken. Individuální komponenty iontového proudu byly popsány rovnicemi, které byly založeny na experimentech s použitím metody vnuceného napětí[15]. Byly vypočteny membránové akční potenciály a pace-makerová aktivita. Byla studována úloha transitního vnějšího chloridového proudu (I qr ) ve výpočtech rychlé depolarizační fáze. V modelu byl zahrnut sekundární vnitřní proud nesený ionty vápníku (I si )[15]. 3.4 Beller Reuter 1977 V roce 1977 Beeler a Reuter vyvinuli numerický model (B-R model) pro ventrikulární myocyty. Tento model zahrnuje proudové komponenty I S, pomalý do buňky tekoucí Ca 2+ proud, který je odpovědný za pomalou depolarizaci a nápadnou plateau fázi. Tento proud I S je popsán pomocí Hodgkin Huxley formulace, v které proměnné d (aktivace) a f (inaktivace) popisují v čase měnící se vodivosti pomalého vnitřního proudu. Počáteční nízká úroveň intercelulárního vápníku se však mění s příchodem transmembránového proudu I S. Takto Beeler a Reuter modelovali intracelulární přesunování vápníku, za předpokladu, že teče do buňky a hromadí se v ní. S tímto modelem Beeler a Reuter začali předpovídat patologické fenomény včetně určujících činitelů po dobu akčního potenciálu a oscilační chování ventrikulárních buněk[1]. 15

20 3.3 Schematický diagram popisující tok proudů přes membránu (Beeler a Reuter), Tento model využívá čtyři z osmi různých iontových proudů vyskytujících se v srdeční buňce známých v té době. Beeler a Reuter popsali rychlý vnitřní Na + proud, podobný tomu, který používají Hodgkin a Huxley, do modelu ale začlenili druhou pomalejší inaktivační bránu j, časově-závislý vnější proud I X1, časově-nezávislý K + vnější proud I K1, a pomalu dovnitř tekoucí proud nesený především Ca 2+ ionty[1]. 3.5 Moderní model srdečního akčního potenciálu Moderní modely používají mnoho pojmů zavedených klasickými modely. Nynější modely však zahrnují větší soubor iontových kanálů, bohatší experimentální historii a komplex dynamiky intracelulárního a sarkoplazmatického vápníku. Zlepšení početního výkonu a numerických technologií může objasnit mohutné systémy diferenciálních rovnic a také přesněji popsat buněčnou elektrofyziologii a interakci mnoha buněk. Výsledek modelování byl posunut od popisu normálního chování myocytů k popisu patologických fenoménů[1]. 3.6 Di Francesco Noble 1985 V roce 1985 Di Francesco a Noble popsali a zdokonalili model akčního potenciálu Purkyňova vlákna (D-N model). Tento model shrnul tradiční formulaci iontových kanálů, současně zlepšil předpoklady pro vápenaté kanály (L typ a T typ) a dynamiku intracelulárního 16

21 vápníku. Zahrnuje řadu významných pokroků a byl to první model s různou intracelulární sodíkovou koncentrací a intracelulární a extracelulární draslíkovou koncentrací a také sofistikovanější dynamikou kalcia. Model obsahoval další komponenty jako Na + /K + pumpu [1]. Model je popsán celkem osmi proudy a to: depolarizačním proudem I Na a I si, repolaričními proudy I K a I K1, přechodným proudem I to, proudem I f a dvěma proudy na pozadí I b, Ca a I b, Na. Model používá 16 proměnných, které jsou symbolizovány napětím, intracelulární koncentrací Ca 2+, K +, Na + iontů, koncentrací extracelulárních K + iontů, zvyšováním a uvolňováním koncentrace Ca 2+ iontů sarkoplazmatického retikula a devíti dynamickými proměnnými[4]. 3.7 Luo a Rudy 1991 V roce 1991 Luo a Rudy publikovali zmodernizovanou verzi D-N modelu, který zahrnoval více experimentálních dat pro sodný a draselný proud[1]. Cílem této studie bylo vytvořit model membránového akčního potenciálu savčích ventrikulárních buněk, založený, na experimentálních výsledcích. Tento model formuluje 3 iontové proudy I Na, I K, I K1(T.). Proud I Na je inaktivován dvěma procesy rychlým a pomalým. Pomalý proces inaktivace naznačuje pomalou obnovu excitability. Proud I Na je charakteristický velkou vodivostí. Dalšími proudy v tomto modelu jsou depolarizační proud I si, depolarizační proud I kp a proud I b na pozadí. Nově objevený draslíkový kanál je realizován jako součást proudu I K1(T) [13]. 3.8 Luo a Rudy 1994 Poté v roce 1994 publikovali Luo a Rudy zdokonalený model, který popsal Di Francesco a Noble. K rekonstrukci akčního potenciálu model používá celkem devět iontových proudů. Depolarizační proudy jsou zastoupeny rychlým sodíkovým proudem I Na, vápníkovým proudem I ca a I p,ca a proudy na pozadí I Na,b a I Ca,b. Repolarizační proudy jsou zastoupeny draslíkovými proudy I K, I K1, dále I kp a I ns,ca. Model se skládá z kompartmentů: myoplasmy, sítě sarkoplazmatického retikula. Tento zlepšený model je průlomem v simulacích excitačních kontrakcí. Model simuluje dynamické změny iontových koncentrací. Důraz této studie je kladen na iontové proudy a další procesy, které regulují a určují změny koncentrace intracelulárních Ca 2+ iontů během akčního potenciálu. Tyto procesy představují důležitý aspekt elektrické aktivity buňky a vytváření akčního potenciálu, ale také stanovení mechanické činnosti buňky přes excitačně kontrakční proces[12]. 17

22 I [µa/cm 2 ] 4 Vlastní řešení modelů 4.1 Model Mc Allister, Noble, Tsien 1975 V roce 1975 McAllister, Noble a Tsien (MNT) prezentovali model pro akční potenciál Purkyňových vláken. Tento model je založen na experimentálních výsledcích, které získali metodou vnuceného napětí[15]. Model tvoří dva vnitřní proudy, I Na a I Si. V modelu MNT jsou tři časově závislé vnější draslíkové proudy I K2, I X1 a I X2. Do modelu je také zahrnut vnější časově závislý proud I Cl, který je nesen chloridovými ionty. Jako poslední jsou popsány proudy na pozadí (tzv. background proudy), které jsou časově nezávislé. Proud I Na se podobá sodíkovému proudu, který popsali Hodgkin a Huxley[8] a je popsán rovnicí: I Na = g Na m 3 (E E Na ), (5) kde g Na představuje maximální vodivost a nabývá hodnoty 15 ms/cm 2. Aktivační proměnná m je aproximována třetí mocninou exponenciální funkce, zatímco inaktivační dynamická proměnná vystupuje v první mocnině. Hodnota rovnovážného napětí E Na byla stanovena na 4 mv I Na Průběh sodíkového proudu I Na Sodíkový proud je hlavní depolarizační proud[15]. Průběhu tohoto proudu originální práce neposkytuje. Avšak při srovnání s programem COR je průběh proudu stejný. 18

23 I [µa/cm 2 ] Dalším vnitřním proudem je sekundární vnitřní proud I si [15]. Tento proud má pomalejší kinetiku než I Na a je částečně nesen ionty vápníku[1]. V popisu tohoto proudu se objevují dvě dynamické proměnné a je popsán rovnicí: I si = g si E E si d f + g si (E E si ) d, (6) d = 1/(1 + exp(.15 (E + 4))), (7) kde rovnovážné napětí E si je rovno 7 mv. Maximální vodivost g si je rovna,8 ms/cm 2, zatímco g si je rovna,4 ms/cm 2. Dynamické aktivační a inaktivační proměnné d a f jsou časově závislé, zatímco d je podobná proměnné d, ale je závislá jen na napětí[15]. -1 I si Průběh proudu I si Z průběhu tohoto proudu můžeme vyčíst, že se jedná o proud depolarizační. Výsledky průběhu tohoto proudu byly porovnány s programem COR. Průběh proudu I si se shoduje. V modelu MNT jsou tři časově závislé, vnější draslíkové proudy označené I K2, I X1 a I X2. Žádný z nich se nepodobá draslíkovému proudu, který byl z kvantitativního pohledu pozorován u hlavonožce Loligo ( Hodgkin - Huxley)[1]. Všechny proudy jsou popsány pomocí aktivačních a inaktivačních proměnných. Proud I K2 je nazýván pacemakerový proud, jelikož je odpovědný za periodické zahájení akčního potenciálu[15]. A je popsán rovnicí: I K2 = ik2 s, (8) ik2 = 2.8(exp.4 E )/(exp.8 E exp (.4 (E + 6))), (9) 19

24 I [µa/cm 2 ] 1 8 I K Průběh draslíkového proudu I K2 kde ik2 popisuje plnou aktivaci voltampérového vztahu. Dynamická proměnná s je aproximována první mocninou exponenciální funkce[15]. Při srovnání s programem COR je průběh tohoto proudu stejný. Dalšími draslíkovými proudy jsou tzv. plató proudy I X1 a I X2 [15]. Rovnice, které v tomto případě MN použili, jsou založeny na experimentální analýze, kterou popsali ve své práci Noble Tsien[17]. Tyto proudy jsou napěťově i časové závislé a jsou popsány těmito rovnicemi: I x1 = x 1 i x1, (1) Aktivační proud i x1 je nelineární funkcí potenciálu. Tyto rovnice využili s použitím Adrianova modelu[15]. i x1 = 1,2 ( exp E )/(exp E ), (11) I x2 = x 2 i x2, (12) i x2 = 25 + E,384. (13) Obě dynamické proměnné x l i x 2 jsou popsány jednoduchou exponenciální závislostí[15]. Z průběhu tohoto proudu můžeme vyčíst, že se jedná o proud, který buňku repolarizuje. 2

25 I [µa/cm 2 ] I [µa/cm 2 ] I x Průběh draslíkového proudu I x1 4.5 Průběh proudu I K2 a I x1 - McAllister, Noble, Tsien[15]. Při srovnání průběhu proudu I x1 s originální prací bylo dosaženo stejných výsledků. Jeho úloha spočívá v repolarizaci buněčné membrány. 1 I x Průběh draslíkového proudu I x2 21

26 I [µa/cm 2 ] I srovnání proudu I x2 se shoduje s výsledky programu COR, dle charakteristiky průběhu se tedy jedná o proud, který buněčnou membránu repolarizuje. Originální práce tento průběh neposkytuje. Do modelu je také zahrnut vnější časově závislý proud I Cl, který je nesen chloridovými ionty a je popsán tímto vztahem[1]: I Cl = g qr q r (E E Cl ); (14) kde q je aktivační a r je inaktivační proměnná, g qr je maximální vodivost kanálu a jeho hodnota je 16,5 ms/cm 2 a hodnota rovnovážného napětí E Cl je rovna -7 mv. Tento proud přispívá ke zkrácení fáze plató. Výsledky naznačují, že přechodný chloridový proud je převážně odpovědný za brzkou repolarizaci, což popisuje i odborná literatura MNT[15] I Cl Průběh proudu I Cl Hodgkin a Huxley ve své analýze membrány nervové buňky hlavonožce popisují malý residuální proud. Tuto komponentu nazvali unikající proud[15]. Do modelu je zahrnuto několik proudů na pozadí (tzv. background proudy), které jsou na čase nezávislé. První z nich se nazývá vnější proud draslíkových iontů a je popsán rovnicí: I K1 = i K2 2,8 + (,2 (E E K1 )/(1 (exp (,4 (E E K1 ))))), (15) kde závislost i K2 je popsána výše. Tato proudová složka je nesena hlavně draslíkovými ionty[15]. Parametry byly vybrány, tak aby odpovídali voltampérové charakteristice, kterou 22

27 U m [mv] získali McAllister a Noble[14]. Dalším proudem na pozadí je vnitřní sodíkový proud. K jeho rekonstrukci MNT použili následující rovnice: I Na,b = g Na,b (E E Na ), (16) kde vodivost g Na,b je rovna,15 ms/cm 2 a rovnovážné napětí E Na = 4mV se shoduje s výsledky, kterých dosáhli Bosteels a Carmeliet[3]. Poslední z proudů na pozadí je proud I Cl,b. Tato proudová složka je nesena chloridovými ionty[15]. Tento proud je dán rovnicí: I Cl,b = g Cl,b E + E Cl, (17) kde vodivost g Cl,b je rovna,1 ms/cm 2 a rovnovážné napětí pro E Cl = -7mV[15]. Všechny tyto proudy na pozadí se shodují s předlohou, kterou poskytuje program COR Průběh akčního potenciálu McAllister, Noble, Tsien. 23

28 4.9 Průběh akčního potenciálu McAllister, Noble, Tsien[15] Závislost na obrázku Chyba! Nenalezen zdroj odkazů. zobrazuje výstup akčního napětí z modelu, který zrealizovali Mc Allister, Noble a Tsien a je srovnáván s výstupem na obrázku 4.9 Průběh akčního potenciálu McAllister, Noble, Tsien[15]. V čase 19 ms dochází k první odezvě na stimulační impulz. Počáteční hodnota membránového napětí je 78 mv, tato hodnota vychází z práce MNT. Při depolarizaci hodnota membránového napětí dosahuje hodnoty 4 mv. Rychlá repolarize, která je způsobena zavřením sodných kanálů způsobí pokles membránového napětí na hodnotu -16 mv. V originální práci je hodnota membránového napětí při depolarizaci shodně 4 mv, po té rychlou depolarizací klesá na -15 mv a následně se pohybuje v pozitivním směru na -5 mv. Následně se projevuje tzv. fáze plató, maximální hodnota membránového napětí při této fázi AP je -7 mv. Doba plató fáze trvá asi 49 ms. Buňka je tedy opět repolarizována a přechází do stavu klidového membránového napětí. Během následující doby se připravuje na další spontánní depolarizaci buněčné membrány, která přichází asi 8 ms od skončení prvního stimulu. K odezvě na druhý stimulační impulz dochází v čase 1525 ms a vykazuje stejné chování jako je tomu u první stimulace srdeční buňky. Celková doba trvání AN je tedy 5 ms, což odpovídá práci MNT a také programovému prostředí COR, které se zabývá stimulací srdeční buňky a s kterým jsem právě svůj model srovnával. MNT zkoumali roli proudu I si na plató fázi a zářez mezi rychlou repolarizací a plató fází. Vliv velikosti vodivosti g si na průběh akčního napětí je poměrně značný. Z průběhu AP je zřejmé, že čím je vodivost nižší, tím se méně projeví proud nesený Ca 2+ ionty a tím dochází i k většímu vyhlazení plató fáze. 24

29 U m [mv] 5 g si =,2 [ms/cm 2 ] Vliv velikosti maximální vodivosti na průběhu AP Závislost velikosti maximální vodivosti na průběhu AP[15] Srovnání vlivu velikosti maximální vodivosti g si na průběh AN; průběh vykreslený červeně popisuje průběh při standardní velikosti maximální vodivosti. Následuje srovnání dynamických proměnných s a x 1. Z jejich průběhu lze vyčíst, že obě tyto dynamické proměnné mají aktivační charakter. 25

30 U m [mv] y(u) [-] s x Průběh dynamických proměnných s a x Průběh dynamických proměnných s a x 1 [15]. -2 I Na = Průběh AP při I Na =. V nepřítomnosti sodíkového proudu (I Na = ), nedochází k překmitu membránového napětí do kladných hodnot. Sekundární vnitřní proud však částečně jeho úlohu přebírá, což na obrázku 4.15 Průběh AP při INa =, Ix1 = Ix2 = [15]. McAllister, Noble a Tsien popisují[15]. 26

31 U m [mv] 4.15 Průběh AP při I Na =, I x1 = I x2 = [15]. 5 I x1 = I x2 = Průběh AP při Ix1 = Ix2 =. Roli draslíkového proudu I x1 na repolarizaci zkoumali Noble a Tsien[18]. Při nastavení hodnot proudů I x1 a I x2 na nulovou hodnotu dochází k depolarizaci i průběhu plató fáze, avšak nedochází k repolarizaci membrány, za niž jsou odpovědné právě draslíkové proudy, jak popisují Noble a Tsien[17]. Průběh zobrazený červenou barvou vykresluje standardní průběh AP

32 I [µa/cm 2 ] 4.2 Model Beeler Reuter 1977 V roce 1977 krátce po popsání modelu MNT vytvořili Beeler a Reuter (dále jen BR ) další model. Tento model popisuje rekonstrukci akčního potenciálu ventrikulárních buněk. Stejně jako předchozí model je i tento model založen na experimentálních měřeních. Beeler Reuterovi rovnice jsou méně komplikované než rovnice modelu MNT. Model popisují čtyři transmembránové proudy, dva proudy vnitřní a dva proudy vnější, z nichž jeden je časově závislý a druhý je časově nezávislý[1]. Jako obvykle, zde vystupuje sodíkový vnitřní proud, popsaný rovnicí: I Na = g Na m 3 j + g NaC (V E Na ), (18) kde g Na je hodnota maximální vodivosti a je rovna 4 ms/cm 2. Veličinu g NaC BR definují jako sodíkovou vodivost na pozadí a její velikost je,3 ms/cm 2. Hodnota rovnovážného napětí E Na byla v tomto modelu stanovena 5 mv. Dynamické proměnné vystupující v tomto proudu jsou m, h a j. Beeler a Reuter zjistili, že je nutné zahrnout reaktivační konstantu j. Na základě práce Haas et al.[7] BR zavedli další inaktivační parametr j. Tento proces reaktivace je mnohem pomalejší než proces inaktivace. Dynamickou proměnnou m převzali z modelu vytvořený Hodgkin-Huxleyem[1]. Sodíkový proud je tedy aktivován proměnou m, inaktivován proměnnou h a reaktivován proměnnou j, která je nejpomalejší ze všech tří proměnných[1]. -.5 I Na Průběh sodíkového proudu I Na. Vždy s odezvou na stimulační impulz dojde k aktivaci tohoto hlavního depolarizačního proudu[1]

33 I [µa/cm 2 ] I [µa/cm 2 ] Experimentální práce na srdečních Purkyňových vláknech naznačila možnost přítomnosti tří časově aktivovaných proudů (I K2, I x1 a I x2 ) a jednoho časově nezávislého draslíkového proudu. Experimentální výsledky prokázali přítomnost jen jednoho časově aktivovaného proudu I x1 a jednoho background proudu I K1. Draslíkovou složku proudu popisují dva proudy. Na čase nezávislý proud I K1, který je popsán rovnicí: I K1 =.35 ( 4 (exp.4 V V+23 exp.8 V+53 +exp.4 V+53 1 exp.4 V+23 ), (19).5.4 I K Průběh draslíkového proudu I K1. a časově aktivovaný vnější proud je popsán rovnicí: I x1 = x (exp.4 V )/exp (.4 (V + 35)). (2) kde x 1 je dynamická proměnná, která vystupuje v první mocnině. 15 x I x Průběh draslíkového proudu I x1. 29

34 I [µa/cm 2 ] Proud I s je popsán jako přechodný vnitřní proud s aktivačními a inaktivačními parametry. Dynamická proměnná d proud aktivuje a proměnná f jej inaktivuje. Tento proud je nesen hlavně ionty vápníku[1]. Pro Beeler-Reuterovi rovnice je vtok vápníku modelován pomalým vnitřním proudem: I s = g s d f (V E s ), (21) kde g s je hodnota maximální vodivosti a je rovna,9 ms/cm 2. Hodnota rovnovážného napětí je popsána vztahem: E s = ln [Cai] i. (22) -.1 I s Průběh proudu I s. Vnitřní vápníková koncentrace je popsána následující diferenciální rovnicí: dcai dt = 1 7 I s +.7 (1 7 Cai). (23) 3

35 U m [mv] [Ca] i [mol/l] 1.2 x Průběh dynamiky koncentrace vápníku. Dlouhá plató fáze Beeler Reuterova akčního potenciálu je zprostředkována pomalým vnitřním proudem Is a vrácení na klidový potenciál je zprostředkováno draslíkovým vnějším proudem I x1 [1] Průběh akčního potenciálu Beeler, Reuter. 31

36 4.23 Průběh akčního potenciálu Beeler, Reuter[1]. Na obrázku 4.22 Průběh akčního potenciálu Beeler, Reuter.r je zobrazen průběh akčního potenciálu srdeční ventrikulární buňky. Počáteční hodnota akčního napětí je stanovena na - 84,42 mv. První stimulační impulz přichází v čase 1 ms a do stavu klidového membránového potenciálu buňka přichází v čase 31 ms. Doba trvání AP je zhruba 3 ms oproti 5 ms z předchozího modelu. Maximální hodnota napětí při depolarizaci atakuje hodnotu 32 mv, následným zavřením sodných kanálů se buněčná buňka repolarizuje na hodnotu 1 mv; maximální hodnota membránového napětí při plató fázi dosahuje 16 mv, v případě originálního modelu je to 17 mv[1]. Po proběhnutí plató fáze se buňka vrací do stavu klidového akčního potenciálu. Následující obrázek poskytuje srovnání dvou dynamických proměnných. Jedná se o dynamickou proměnnou pomalého proudu I s - inaktivační dynamické proměnné f a draslíkového proudu I x1 - aktivační dynamické proměnné x 1 s originální prací. 32

37 y(u) [-] f x Průběh dynamických proměnných f a x Průběh dynamických proměnných f a x1[1]. Počáteční hodnota inaktivační hodnoty f se blíží 1, zatímco počáteční hodnota x 1 je téměř nulová. Srovnané výsledky odpovídají. Další srovnání poskytuje vliv velikosti vodivosti g s na průběh AN. Při hodnotě g s =,11 ms/cm 2 se značně prodlužuje doba trvání akčního potenciálu a to až na hodnotu 35 ms. Zatímco při ponechání hodnoty vodivosti na,9 ms/cm 2 doba trvání akčního potenciálu je asi 3 ms. Průběh zobrazený červenou barvou zobrazuje standardní průběh akčního potenciálu při velikosti maximální vodivosti g s =,9 ms/cm 2. 33

38 U m [mv] 4 2 g s =,11 [ms/cm 2 ] Průběh AP v závislosti na velikosti maximální vodivosti g s Průběh AP v závislosti na velikosti maximální vodivosti g s [1]. Při zvýšení extracelulární koncentrace vápníku v modelu BR dochází ke změně charakteru fáze plató. Přesněji dochází k hlubšímu a výraznějšímu zářezu mezi depolarizací a právě fází plató. Také se nepatrně zkracuje doba trvání AP. Menší koncentrace vápníku způsobují vyhlazení plató fáze a též mírné prodloužení doby trvání akčního potenciálu. 34

39 U m [mv] 4 2 high [Ca] o Vliv změny koncentrace vápníku na průběh AP Vliv změny koncentrace vápníku na průběh AP[1]. Změna extracelulární vápníkové koncentrace v práci Beelera a Reutera je modelována ve třech krocích. Za prvé, hodnota rovnovážného napětí pro výpočet I s je změněna. Za druhé, všechny komponenty draslíkového proudu v modelu jsou změněny o 15% ve stejném směru jako hodnota E s. Za třetí, pozměnění [Ca] budou mít vliv na průběh akčního potenciálu[1]. Průběh vykreslený červeně zobrazuje nízkou koncentraci vápníku. Jako poslední srovnání se nabízí vliv velikosti rovnovážného napětí E s na průběh akčního potenciálu. 35

40 U m [mv] 4 2 Es = Vliv změny rovnovážného napětí Es na průběh AP Vliv změny rovnovážného napětí E s na průběh AP[1]. Jak z grafů vyplívá v případě větší hodnoty, dochází k posunu zářezu směrem k záporným hodnotám, zatímco u menší hodnoty typický zářez pro srdeční buňku téměř mizí. Červeně je v grafu znázorněna hodnota rovnovážného napětí při 74 mv. Rekonstrukci této simulace Beeler a Reuter prováděli následovně. V prvním případě nastavili hodnotu rovnovážného napětí na fixní hodnotu 74 mv. V případě druhé rekonstrukce nastavili hodnotu E s na 4 mv, ale současně násobí hodnotu maximální vodivosti g s a proud I x1 2,2 respektive 1,9 aby došlo k přibližně stejnému tvaru akčního potenciálu[1]. Po nastavení těchto 36

41 podmínek v modelu a následné simulaci je dosaženo stejných výsledků, jako v originální práci. 4.3 Grandi Pasqualini Bers 21 Grandi, Pasqualini a Bers (dále jen GPB ) vyvinuli podrobný matematický model pro transport iontových proudů v lidském komorové buňce. Cílem jejich práce bylo simulovat základní excitačně kontrakční jevy a dosažení ustáleného stavu. Tento model se opírá o model srdečních buněk králíka, který byl již dříve vyvinut touto skupinou. Iontové kanály a transportní mechanismy byly navrženy na základě nejnovějších experimentálních dat z lidské komorové buňky. Byly formulovány rychle a pomalu inaktivující se komponenty proudu I to. Byla také např. simulována Na + pumpa[6]. Model byl srovnán s širokou škálou experimentálních dat, včetně délky trvání akčního potenciálu (APD). Zkoumali účinky blokování K + proudů na APD a repolarizaci: blokování draslíkového proudu I KS nemá vliv na APD, blokování proudu I K1 APD mírně prodlužuje; blokování draslíkového proudu I KR APD výrazně prodlužuje [6]. GPB došli k závěru, že tento model poskytuje užitečný rámec k prozkoumání excitačně-kontrakčních na úrovni jedné srdeční buňky. Model lidské komorové buňky se skládá celkem z 38 obyčejných diferenciálních rovnic popisujících rychlost změny membránového potenciálu, dynamické proměnné popisující kinetiku iontových kanálů, intracelulární koncentraci Na + a Ca 2+ iontů a dynamiku intracelulární Ca 2+ cirkulačních procesů[6]. 37

42 I [µa/µf] 5 I Na Průběh sodíkového proudu I Na Průběh sodíkového proudu I Na [6]. Při nadprahovém podráždění buňky dochází k otevření sodíkových kanálů a tím k průniku rychlého sodíkového proudu I Na (Fast Na Current) do buňky. Sodíkový proud je hlavní depolarizační proud modelu GPB[6]. Je závislý nejen na membránovém napětí, ale i na čase. Dochází nejprve k jeho aktivaci a poté k inaktivaci. Sodíkový proud je popsán těmito rovnicemi: I Najunc = F junc G Na m 3 j (V m E Najunc ), (24) I Nasl = F sl G Na m 3 j (V m E Nasl ), (25) I Na = I Najunc + I Nasl. (26) 38

43 I [µa/µf] Kde F junc a F sl jsou frakční proudy subsarkolemálních a junkčních kompartmentů. F junc =,11 a F sl = 1 - F junc ; jsou to bezrozměrné veličiny. Dále je sodíkový proud popsán dynamickými proměnnými m, h a j. Dynamická proměnná m je zodpovědná za aktivaci proudu a je aproximována třetí mocninou exponenciální funkce, zbývající dvě proměnné m a j jsou zodpovědné za inaktivaci proudu a vystupují v první mocnině. E Najunc a E Nasl popisují Nernstův potenciál. G Na je maximální hodnota vodivosti a její hodnota je 23 ms/µf. Velikost tohoto proudu vychází poněkud menší než při porovnání s originální prací, avšak při srovnání s programem COR dochází ke shodnému průběhu proudu. Příčinou je přejmutí rovnic i počátečních hodnot dynamických proměnných s programu COR, neboť ty původní neodpovídali a nebylo možné dosáhnout standardního průběhu akčního potenciálu..8.6 I Kr Průběh draslíkového proudu I Kr Průběh draslíkového proudu I Kr [6]. Dalším proudem, který GPB ve svém modelu popisují je depolarizační proud I Kr, popisovaný jako rychle se aktivující složka draslíkového proudu. Jeho přesný název je rychle 39

44 I [µa/µf] se aktivující draslíkový proud (Rapidly Activating K Current) a je tedy nesen draslíkovými ionty, jak ostatně popisují ve svém modelu GPB[6]. Tento draslíkový proud je popsán rovnicí: I Kr = g kr x kr r kr (V m E K ). (27) Kde dynamická proměnná x kr je aproximovaná první mocninou exponenciální funkce, vodivost g kr byla stanovena na,35 ms/µf, aby odpovídala podmínkám lidské komorové buňce[6]. Hodnota r kr je napěťově závislá a E K značí Nernstův potenciál. U proudů I Kr a I Ks dochází ke stejnému problému jako u sodíkového proudu I Na, tedy velikost proudů neodpovídá původní práci, avšak při srovnání s programem COR opět dochází ke shodě. Rovnice i počátečních hodnot dynamických proměnných pro proudy I Kr a I Ks byly přejaty z prostředí COR. 6 x I Ks Průběh draslíkového proudu I Ks. 4

45 4.37 Průběh draslíkového proudu I Ks [6]. Druhým z celkem pěti draslíkových proudů je pomalu se aktivující draslíkový proud I Ks (Slowly Activating K Current). Velikost tohoto proudu je mnohem menší než u předchozího draslíkového proudu. Jeho průběh má však podobný charakter. Tento proud je popsán následujícími rovnicemi: I ksjunc = F junc g ksjunc x ks 2 (V m E K ), (28) I kssl = F sl g kssl x ks 2 (V m E K ), (29) I ks = I ksjunc + I kssl. (3) Opět zde vystupují frakční proudy subsarkolemálního a junkčního kompartmentu F junc a F sl jako u sodíkového proudu I Na a nabývají i stejných hodnot. Veličiny g ksjunc a g kssl jsou vodivosti draslíkového kanálu a jejich hodnota je shodná,35 ms/µf a byly navrženy tak, aby odpovídali velikosti, které byly získány při měření na lidských komorových buňkách. Dynamická proměnná x 2 ks je aproximována druhou mocninou exponenciální funkce. E K opět vyjadřuje Nernstův potenciál. 41

46 I [µa/µf] 8 I tos 6 I tos Průběh rychlé a pomalé složky proudu I to Průběh rychlé a pomalé složky proudu I to [6]. Dalším draslíkovým proudem je přechodný vnější draslíkový proud (Transient Outward K Current), který se skládá ze dvou složek, rychlé a pomalé. Tento draslíkový proud zodpovídá za rychlou repolarizaci buňky a určuje výšku počáteční fáze plató, čímž ovlivňuje aktivaci ostatních proudů podílejících se na repolarizaci[6]. Tento proud je popsán následujícími rovnicemi: I tos = G toslow x tos y tos (V m E K ), (31) I tof = G tofast x tof y tof (V m E K ), (32) I to = I tos + I tof. (33) 42